实验塞曼效应

实验塞曼效应第一页，共二十页，编辑于2023年，星期二一、实验背景塞曼效应：1896年，荷兰物理学家塞曼将光源置于强磁场中，研究磁场对谱线的影响，结果发现，原来的一条谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，这一现象称为塞曼效应。

塞曼效应证明了电子具有自旋，能级分裂是由于电子轨道与自旋磁矩相互作用的结果。第二页，共二十页，编辑于2023年，星期二二、实验目的1、观察汞的546.1nm谱线在磁场中分裂的情况，加深对原子结构的认识；2、测量上述谱线在磁场中分裂的裂距，求出e/m值；3、学习法布里——珀罗标准具的原理、调节和使用。第三页，共二十页，编辑于2023年，星期二三、实验原理（一）谱线在磁场中的分裂：由量子理论，当光源处于磁场强度为B的磁场中时，能级E要发生分裂，其附加能量式中M为磁量子数；g是朗德因子；μB为玻尔磁子，其大小为式中e和me分别是电子的电量和质量。第四页，共二十页，编辑于2023年，星期二当光源未受到磁场作用时，设电子由E2能级跃迁到E1能级，产生频率为ν的谱线

当光源受磁场作用时，一般地E1、E2两个能级都要发生分裂，分别有和的附加能量。分裂的上下能级分别表示为和，它们之间的跃迁产生频率为的新谱线。则有谱线的频率变化为第五页，共二十页，编辑于2023年，星期二相应的波数差为式中L为第六页，共二十页，编辑于2023年，星期二汞绿线546.1nm是跃迁的结果，按LS耦合情况下g因子计算公式：

可得能级的g值，g2=1;能级的g值，g=3/2。两能级的M取值为：M2=1，0，-1和M2=2，1，0，-1，-2。根据选择定则：

(当ΔJ＝0时，ΔM被禁止),当ΔM=0时，产生的偏振光为π成分。垂直于磁场观察时(横效应)，线偏振光的振动方向平行于磁场。平行于磁场观察时，π成分不出现。第七页，共二十页，编辑于2023年，星期二当ΔM=±1时，产生线。沿垂直于磁场方向观察时(横效应)，线为振动方向垂直于磁场的线振动光。沿磁场方向观察时，线为圆偏振光。对汞绿线546.1nm谱线，选择定则允许的跃迁共有九种。因此，原来的谱线将分裂成九条谱线。分裂后的九条谱线是等距的，间距都为L/2。各线段的长度表示谱线的相对强度。用上面所述的方法，可以求出它的塞曼分裂。下图表示在外磁场作用下，汞绿线能级的分裂情况。第八页，共二十页，编辑于2023年，星期二在外磁场作用下，和能级的分裂第九页，共二十页，编辑于2023年，星期二（二）用标准具测量波数差塞曼效应造成的谱线很小，其相对值，即在可见光波段其分裂值在1/10nm数量级。棱镜光谱仪或光栅光谱仪的分辨本领为103~105，故难以用常规光谱仪观察到塞曼效应。法布里-珀罗标准具的分辨本领可达到106，故常用标准具来观测塞曼效应。

由于标准具的自由光谱区很小，通常要先用常规光谱仪分出一条条光谱线后，再用标准具进一步分光。

第十页，共二十页，编辑于2023年，星期二由于低压水银灯光源的谱线间隔很大，利用滤光片即可分离出546.1nm谱线，故本实验采用干涉滤光片和法布里-珀罗标准具完成分光任务。

在法布里-珀罗标准具的透射光中，相邻两光束的光程差为在空气中n=1，则有其中，d是标准具间隔，i是投射到标准具的光的入射角。当光程差等于波长的数倍时，形成干涉亮环，即对于k级干涉环，满足第十一页，共二十页，编辑于2023年，星期二dfi由上图可得则有第十二页，共二十页，编辑于2023年，星期二显然，对某一波长的光，干涉级k与干涉环直径平方成线性关系。对某一对同一波长光产生的相邻两级k和k-1线，有

对同一级不同波长的波长差，有

测量时所用的干涉条纹是中心附近的干涉条纹，可令i=0,则有第十三页，共二十页，编辑于2023年，星期二

则波长差的表达式可化为

用波数差表示为第十四页，共二十页，编辑于2023年，星期二四、实验装置

如图，实验装置由磁场、光源、分光系统和观测系统等四大部分组成。第十五页，共二十页，编辑于2023年，星期二五、实验内容1、调整光路，观察塞曼现象

a、点亮汞灯，把透镜置于光源和标准具之间适当位置，让光充满标准具。由于标准具前已经放置滤光片，可以看到标准具视场中布满绿色的干涉条纹。b、调节标准具。眼睛在垂直于的平行面内上、下、左、右移动时，若看到干涉环有缩冒现象，应调节标准具的三个调节旋钮，直到无明显缩冒现象为止。c、在标准具后安置透镜和目镜，调节两者的相对位置以看清各干涉环。为保证视场足够明亮，整个光学系统应共轴。调节目镜位置使目镜叉丝大体与干涉环直径重合。第十六页，共二十页，编辑于2023年，星期二d、开启稳压电源，调节稳压电源电流为一定值。如图所示，取相邻两级次的线偏光进行测量。第十七页，共二十页，编辑于2023年，星期二2、测量并计算波长差按公式计算塞曼分裂的波数差。3、测量并计算荷质比第十八页，共二十页，编辑于2023年，星期二六、注意事项1.法布里-珀罗标准具等光学元件应避免沾染灰尘、污垢和油脂，还应该避免在潮湿、过冷、过热和酸碱性蒸汽环境中存放和使用；2.光学零件的表面上如有灰尘可以用橡皮吹气球吹去。如表面有污渍可以用脱脂、清洁棉花球蘸酒精、乙醚混合液轻轻擦拭；3.电磁铁在完成实验后应及时切断电源，以避免长